Водород как химический элемент

Водород - это элемент первой группы главной подгруппы, а также седьмой группы главной подгруппы в первом малом периоде. Данный период состоит всего из двух атомов: гелия и рассматриваемого нами элемента. Опишем основные особенности положения водорода в периодической системе.

  • Порядковый номер водорода - 1, количество электронов такое же, соответственно, протонов столько же. Атомная масса - 1,00795. Существует три изотопа данного элемента с массовыми числами 1, 2, 3. Однако свойства каждого из них очень сильно различаются, так как увеличение массы даже на единицу именно для водорода является сразу двойным.
  • То, что на внешнем энергетическом уровне он содержит всего один электрон, позволяет успешно проявлять ему как окислительные, так и восстановительные свойства. Кроме того, после отдачи электрона у него остается свободная орбиталь, которая принимает участие в образовании химических связей по донорно-акцепторному механизму.
  • Водород - это сильный восстановитель. Поэтому основным местом его считается первая группа главной подгруппы, где он возглавляет самые активные металлы - щелочные.
  • Однако при взаимодействии с сильными восстановителями, такими как, например, металлы, он может быть и окислителем, принимая электрон. Данные соединения получили название гидридов. По этому признаку он возглавляет подгруппу галогенов, с которыми является схожим.
  • Благодаря совсем маленькой атомной массе, водород считается самым легким элементом. Кроме того, его плотность также очень мала, поэтому он также является эталоном легкости.

Таким образом, очевидно, что атом водорода - это совершенно уникальный, непохожий на все остальные элемент. Следовательно, свойства его тоже особенные, а образуемые простые и сложные вещества очень важны. 

Физические свойства

Физические параметры водород имеет следующие:

  • Температура кипения - (-252,76 0С).
  • Температура плавления - (-259,2 0С).
  • В обозначенном интервале температур является бесцветной жидкостью, не имеющей запаха.
  • При очень высоком давлении существуют снегообразные кристаллы твердого водорода.
  • При определенных условиях (высокое давление и низкие температуры) способен переходить в металлическое состояние.
  • Практически нерастворим в воде, поэтому возможен сбор методом вытеснения воды при получении в лабораторных условиях.
  • При обычных условиях водород - это газ, не имеющий запаха, цвета и вкуса.
  • Является горючим и взрывоопасным веществом.
  • Хорошо растворяется в металлах, так как способен диффундировать сквозь их толщу.
  • Примерно в 14,5 раз данный газ легче воздуха.

Кристаллическая решетка простого вещества молекулярная, связи слабые, поэтому легко разрушаются.

Химические свойства

Как уже говорилось выше, водород способен проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства. Возможные степени окисления элемента +1; -1. Поэтому его часто используют в промышленности для синтезов и различных реакций.

Окислительные свойства водорода

  • Взаимодействие с активными металлами (щелочными и щелочноземельными) при обычных условиях приводит к образованию солеподобных соединений, называемых гидридами. Например: LiH, CaH2, KH, MgH2 и прочие.
  • Соединения с малоактивными металлами под воздействием высоких температур или сильной освещенности (фотохимическая инициация реакций) также образуют гидриды.

Восстановительные свойства водорода

  • Взаимодействие при обычных условиях только с фтором (как сильным окислителем). В результате образуется фтороводород или плавиковая кислота HF.
  • Взаимодействие практически со всеми неметаллами, но при определенных достаточно жестких условиях. Примеры соединений: H2S, NH3, H2O, PH3, SiH4 и прочие.
  • Восстанавливает металлы из их оксидов до простых веществ. Это один из промышленных способов получения металлов, называющийся водородотермией.

Отдельно следует выделить реакции, которые используются в органических синтезах. Они называются гидрированием - насыщением водородом и дегидрированием, то есть его отщеплением от молекулы. На основании этих способов превращений получают множество углеводородов и других органических соединений.

Нахождение в природе

Водород - это самое распространенное вещество на нашей планете и за ее пределами. Ведь практически все межзвездное пространство и звезды состоят именно из этого соединения. В космосе он может существовать в виде плазмы, газа, ионов, атомов, молекул. Существует несколько видов различных по плотности облаков, состоящих именно из этого вещества. Если говорить о распространении конкретно в земной коре, то водород стоит на втором месте по числу атомов после кислорода, его приблизительно 17%. В свободном виде встречается редко, лишь в незначительных количествах в составе сухого воздуха. Самое распространенное соединение данного элемента - вода. Именно в ее составе он и встречается на планете. Также водород является обязательной составной частью любого живого организма. Причем в теле человека на долю этого атома приходится 63%. Водород - это органогенный элемент, поэтому формирует молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот, а также многих других жизненно важных соединений.

Получение

Существуют разные способы получения рассматриваемого нами газа. К ним относится несколько промышленных и лабораторных вариантов синтеза. Промышленные способы получения водорода:

  • Паровая конверсия метана.
  • Газификация угля - процесс подразумевает нагревание угля до 1000 0С, в результате чего образуется водород и высокоуглеродный уголь.
  • Электролиз. Данный метод может использоваться только для водных растворов различных солей, так как расплавы не приводят к разряжению воды на катоде.

Лабораторные способы получения водорода:

  • Гидролиз гидридов металлов.
  • Действие разбавленных кислот на активные металлы и средней активности.
  • Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой.

Чтобы собрать образующийся водород, необходимо держать пробирку перевернутой вверх дном. Ведь данный газ нельзя собрать так, как, например, углекислый газ. Это водород, он намного легче воздуха. Быстро улетучивается, а в больших количествах при смешении с воздухом взрывается. Поэтому и следует переворачивать пробирку. После ее заполнения ее нужно закрыть резиновой пробкой. Чтобы проверить чистоту собранного водорода, следует поднести к горлышку зажженную спичку. Если хлопок глухой и тихий - значит газ чистый, с минимальными примесями воздуха. Если же громкий и свистящий - грязный, с большой долей посторонних компонентов.

Области использования

При сгорании водорода выделяется настолько большое количество энергии (теплоты), что данный газ считается самым выгодным топливом. К тому же экологически чистым. Однако на сегодняшний день его применение в данной области ограничено. Это связано с непродуманными до конца и не решенными проблемами синтеза чистого водорода, который был бы пригоден для использования в качестве топлива в реакторах, двигателях и портативных устройствах, а также отопительных котлах жилых домов. Ведь способы получения данного газа достаточно дорогостоящие, поэтому прежде необходимо разработать особый метод синтеза. Такой, который позволит получать продукт в большом объеме и с минимальными затратами.

Можно выделить несколько основных областей, в которых находит применение рассматриваемый нами газ.

  • Химические синтезы. На основании гидрирования получают мыла, маргарины, пластмассы. При участии водорода синтезируется метанол и аммиак, а также другие соединения.
  • В пищевой промышленности - как добавка Е949.
  • Авиационная промышленность (ракетостроение, самолетостроение).
  • Электроэнергетика.
  • Метеорология.
  • Топливо экологически чистого вида.

Очевидно, что водород так же важен, как и распространен в природе.